討論并不枯燥的技術

IT界耳熟能詳?shù)摹澳柖伞彼坪跻呀涢_始落后于整個行業(yè)的發(fā)展，與此同時，寬帶的硬件基礎—光纖通信的速度也遇到了同樣的問題。從自二十世紀80年代以來，光纖中每秒可以傳送的信息字節(jié)數(shù)已經增加了大約1000萬倍，但是現(xiàn)在，有不少國內外研究者們發(fā)現(xiàn)，經過數(shù)十年來指數(shù)式的增長，光纖通信的速度可能已經遇到了瓶頸。

有國外學者認為，過去幾十年來，一系列技術進步使得通信行業(yè)的從業(yè)者可以不斷地提高光纖通信網絡的數(shù)據傳輸速率，但是，幾乎所有容易改進的地方都已經到了極限，為了繼續(xù)維持發(fā)展的態(tài)勢，必須出現(xiàn)真正偉大的創(chuàng)新。

光纖如何工作？

如今在網絡傳輸中使用得最多的是直徑9微米的光纖，其實就是一種玻璃細絲，它對波長1.55微米的紅外光幾乎是完全透明的。在光纖內芯外面，包裹著超過50微米厚的玻璃覆層，這些覆層折射率較低，并可以將激光信號限制在內芯之中，使其通過內反射沿著光纖曲折著向前傳播。由于介質的問題，光纖內的激光脈沖信號傳輸速度為每秒20萬公里，只是真空光速的三分之二。同時，由于光子在光纖內芯傳輸會發(fā)生散射，光信號傳播的距離越長，被散射的光子就越多，一般經過50千米的傳播，90%的光信號就在衰減中丟失了。因此，光纖傳輸過程中必須加入中繼站來增強光信號。針對光纖傳輸?shù)难邪l(fā)和創(chuàng)新，主要就是在避免散射和畸變的同時提高信號的信息容量和傳播距離。

2000年左右，互聯(lián)網在全球范圍內開始出現(xiàn)爆炸式的發(fā)展，對于帶寬的要求越來越高，傳統(tǒng)的信號編碼方式很快就接近了極限，如果沒有其他新的技術或者更多的光纖，現(xiàn)有的系統(tǒng)很快就會飽和。2007年，貝爾實驗室和Verizon公司研發(fā)出一種叫做正交相移鍵控（quadrature phase-shift keying）的技術，在位于佛羅里達州的通信網絡實現(xiàn)了500千米100Gb/s通的信號傳輸。此后Verizon進行了進一步的研發(fā)，讓光纖通信技術有了新的突破。如今，新技術的應用讓原本設計指標每秒10Gb通信容量的光纖，在單一頻率下可以實現(xiàn)實現(xiàn)每秒100Gb的長距離傳輸，配合傳統(tǒng)光纖最多可容納的100個頻段，通信容量可以達到10Tb/s。

但是，這依然還不能滿足未來更大數(shù)據吞吐量的需求，研究人員們還在想更多的辦法，讓帶寬變得“無限”。

未來的光纖傳輸形態(tài)

目前，很多長距離地面通信光纜和絕大多數(shù)海底光纜都升級到了每頻段100Gb帶寬，其中包含的每根光纖都可以可供幾萬人同時觀看視頻網站上的高清視頻，而一根光纜可以容納幾十到幾百根光纖。但這似乎也還并不能滿足更多的數(shù)據傳輸需求。根據Cisco公司最近發(fā)布的一份報告，全球互聯(lián)網數(shù)據傳輸量在2010年至2015年之間增長了整整 5倍，因為網絡視頻和物聯(lián)網的發(fā)展，數(shù)據傳輸?shù)男枨罂赡茉谖磥韼啄陜仍鲩L的更快。

有研究人員提出，可以采用更先進的信號編碼技術來提升傳輸速度。如今廣泛使用的正交相移技術在單位信號間隔內可編碼2bit，而Wi-Fi和其他無線系統(tǒng)采用了更復雜的編碼方式。這樣的先進編碼方式可以有條件地在光纖中使用，因為編碼的方式越復雜，信息就需要被更緊密綁定在一起進行傳輸，這樣會讓糾錯能力變得更加重要。一個信號包含的數(shù)據越多，它所能承受的外部擾動就越少，否則其中的一部分數(shù)據就會出錯。提高信號發(fā)射功率可以改善這一情況，但是這樣又會增加非線性畸變，這種畸變隨距離增長而不斷增加，所以這樣的技術暫時還只能應用在短距離的信號傳輸中。

對于更長距離的光纖，研究人員則嘗試將不同頻段傳輸?shù)臄?shù)據壓縮得更加緊密。目前的長距離光纖中包含幾十個頻段，相鄰頻段之間留有一定間隔以防止串擾，如果這些緩沖頻段可以縮短甚至省略，那么一根光纖中就可以容納更多的頻段，實現(xiàn)所謂的超級頻段系統(tǒng)（superchannel），這一系統(tǒng)中，信號在光纖中的全頻段上傳輸，這樣的方案可能可以將數(shù)據傳輸速率在現(xiàn)有基礎上提高30%。2013年，Ciena公司和英國電信集團BT采用無緩沖頻段技術，在伊普斯維奇和倫敦之間搭建起800Gb/s的超級多頻段通信網絡。

不過，這可能是在現(xiàn)有光纖的物理特性不改變的前提下做得到的最后一次大規(guī)模容量提升了。信息學家克勞德·香農1948年提出的非線性香農極限（nonlinear Shannon limit）是現(xiàn)有光纖可能無法越過的一個物理極限。他指出，信道存在一個由帶寬和信噪比決定的，能夠正確傳輸數(shù)據的最大容量。而非線性的香農極限還包括了另外一個因素，即信號功率的極大值，超過這個值，非線性效應（在玻璃中才會出現(xiàn)）就會導致過大的噪聲將信號淹沒。

因為香農極限的存在，有公司已經動起了改造現(xiàn)有光纖設備的念頭。Infinera公司認為可以通過把光纖內芯做得更大來實現(xiàn)更高的傳輸速度。另有公司認為可以在一根光纖內制造出平行的光信號通路，供許多獨立的信號傳播，稱為空（間）分復用（spatial-division multiplexing），采用可以容納多個光波導內芯的光纖，而且只需要使用一個特制的放大器，成本遠低于8個單獨光纖放大器。

不過，這些創(chuàng)新模式還都在研發(fā)中，有些公司在實驗室里取得了更快的傳輸速度，盡管還不能直接投入使用，但是未來的發(fā)展?jié)摿σ呀涳@露出來，如果這些技術在實際應用方面的問題被解決，很可能將現(xiàn)有的光纖通信容量提高幾百倍。

后記

無論如何，隨著云計算、物聯(lián)網等基礎通信需求逐漸投產，更大的帶寬和更快的傳輸速度總是會被需要，而研究者們也會在提升這兩項指標方面投入更多的精力。從理論上來說，網絡帶寬的發(fā)展是無止境的，因為即便沒有工程技術上的突破性進展，只通過簡單的增加光纖和光纜也可以成倍的提升帶寬，而對于服務提供商來說，其實并不在意網絡運營商通過什么樣的辦法來提升帶寬。